武培怡教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Sci.》: 自增強(qiáng)策略助力3D打印力學(xué)性能互補(bǔ)的離子凝膠

來源： 高分子科技

生物系統(tǒng)展示了豐富的原型，它們可以結(jié)合互補(bǔ)的性能，并在單一單元中提供多種功能。例如，蜘蛛在剛性的徑向結(jié)構(gòu)絲上編織具有粘性、延展性以及半透明的橫絲 (也被稱作捕絲)，這些特性使得它們可以協(xié)同完成感知獵物、捕獲獵物以及承受獵物沖擊的任務(wù)。這些集成的性能促進(jìn)了導(dǎo)電軟材料的發(fā)展，借助新型的3D打印技術(shù)可以將其塑造成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，使其可以模仿生物系統(tǒng)的協(xié)同功能以及精細(xì)的結(jié)構(gòu)。盡管多材料3D打印技術(shù)的發(fā)展可以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜生物體系的模仿，然而在一種墨水體系的設(shè)計(jì)中直接實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)的性能在很大程度上未被探索。

武培怡教授課題組近年來基于含氟聚合物發(fā)展了系列具有優(yōu)異性能的離子凝膠或彈性體體系，例如制備疏水性的含氟離子凝膠并將其應(yīng)用范圍拓展到水下環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了水下傳感、水下強(qiáng)粘附、水下生理信號(hào)檢測等 (Adv. Mater. 2021, 2008479; Mater. Horiz. 2021,8, 2057; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2107226.)；此外還篩選出可自發(fā)相分離的粘滯性含氟共聚物體系以實(shí)現(xiàn)對(duì)人體脂肪組織的仿生構(gòu)筑(Adv. Mater. 2023, 35, 2209581.)

在此基礎(chǔ)上，武培怡教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)展了一種具有自增稠與自調(diào)節(jié)性能的含氟離子凝膠墨水體系，以實(shí)現(xiàn)離子凝膠的可打印性與可調(diào)的性能。所設(shè)計(jì)的是一種由聚離子液體(PIL)、離子液體單體(ILM)以及自由離子液體(FIL)構(gòu)成的三組分打印墨水，三個(gè)組分具有相同的陰離子[TFSI]-，陽離子均為季銨鹽陽離子，確保了組分間優(yōu)異的相容性。其中PIL作為聚合物流變改性劑，ILM以及FIL作為溶劑，組分間動(dòng)態(tài)交聯(lián)的特性使得墨水具有自增稠與自調(diào)節(jié)的性質(zhì)。自增強(qiáng)指的是在打印沉積后使用紫外進(jìn)行光照，引發(fā)ILM的聚合，它從溶劑轉(zhuǎn)變?yōu)樽栽鰪?qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步調(diào)整了離子凝膠的力學(xué)性能，此時(shí)分散介質(zhì)只剩下FIL(圖1)。因此，基于相同的組分、但不同比例的墨水配方，所打印的離子凝膠表現(xiàn)出獨(dú)特而互補(bǔ)的特性。例如，它們的楊氏模量可以相差三個(gè)數(shù)量級(jí)(521.3 kPa 到 148.7MPa)，一些結(jié)構(gòu)是剛性的，而另一些是具有延展性和粘性的(圖2)。

圖1. 自增強(qiáng)與自調(diào)節(jié)墨水的設(shè)計(jì)示意圖以及打印過程示意圖

圖2. 對(duì)相同組分、不同比例的打印結(jié)構(gòu)的性能表征

借助適當(dāng)?shù)睦碚撃Ｐ涂梢詫?shí)現(xiàn)對(duì)打印分辨率的預(yù)測，同時(shí)可以指導(dǎo)打印參數(shù)的選擇 (圖3)。

圖3. 對(duì)墨水的流變性能以及打印參數(shù)和打印分辨率的研究

不同的墨水配方帶來截然不同但又互補(bǔ)的性能，作者打印了一個(gè)具有代表性的仿生蜘蛛網(wǎng)體系以集成互補(bǔ)的性能，它可以模仿了天然蜘蛛網(wǎng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)（如在剛性的徑向結(jié)構(gòu)絲上編織具有粘性、延展性以及半透明的橫絲）和多種功能（如捕捉、感知和耗散能量）。得益于含氟聚合物的優(yōu)異疏水特性，這一人造蜘蛛網(wǎng)成功實(shí)現(xiàn)了水陸兩用，特別是可以同步實(shí)現(xiàn)感知與捕獲。

圖4. 3D打印出的人造蜘蛛網(wǎng)在空氣中的應(yīng)用

圖5. 3D打印出的人造蜘蛛網(wǎng)在水下實(shí)現(xiàn)同步感知與捕獲

上述研究成果以“3D Printing of Ionogels with Complementary Functionalities Enabled by Self-Regulating Ink”為題在線發(fā)表于期刊《Advanced Science》上。復(fù)旦大學(xué)黃佳惠博士為論文第一作者，武培怡教授為論文通訊作者。感謝國家自然科學(xué)基金委(51973035和52161135102)對(duì)該工作的資助。


原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202302891